- Профаза I — профаза первого деления очень сложная и состоит из 5 стадий:
- Лептотена или лептонема — упаковка хромосом, конденсация ДНК с образованием хромосом в виде тонких нитей (хромосомы укорачиваются).
- Зиготена или зигонема — происходит конъюгация — соединение гомологичных хромосом с образованием структур, состоящих из двух соединённых хромосом, называемых тетрадами или бивалентами и их дальнейшая компактизация.
- Пахитена или пахинема — (самая длительная стадия) — в некоторых местах гомологичные хромосомы плотно соединяются, образуя хиазмы. В них происходит кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами.
- Диплотена или диплонема — происходит частичная деконденсация хромосом, при этом часть генома может работать, происходят процессы транскрипции (образование РНК), трансляции (синтез белка); гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой. У некоторых животных в ооцитах хромосомы на этой стадии профазы мейоза приобретают характерную форму хромосом типа ламповых щёток.
- Диакинез — ДНК снова максимально конденсируется, синтетические процессы прекращаются, растворяется ядерная оболочка; центриоли расходятся к полюсам; гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой.
К концу Профазы I центриоли мигрируют к полюсам клетки, формируются нити веретена деления, разрушаются ядерная мембрана и ядрышки
- Метафаза I — бивалентные хромосомы выстраиваются вдоль экватора клетки.
- Анафаза I — микротрубочки сокращаются, биваленты делятся и хромосомы расходятся к полюсам. Важно отметить, что, из-за конъюгации хромосом в зиготене, к полюсам расходятся целые хромосомы, состоящие из двух хроматид каждая, а не отдельные хроматиды, как в митозе.
- Телофаза I — хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.
Второе деление мейоза следует непосредственно за первым, без выраженной интерфазы: S-период отсутствует, поскольку перед вторым делением не происходит репликации ДНК.
- Профаза II — происходит конденсация хромосом, клеточный центр делится и продукты его деления расходятся к полюсам ядра, разрушается ядерная оболочка, образуется веретено деления.
- Метафаза II — унивалентные хромосомы (состоящие из двух хроматид каждая) располагаются на «экваторе» (на равном расстоянии от «полюсов» ядра) в одной плоскости, образуя так называемую метафазную пластинку.
- Анафаза II — униваленты делятся и хроматиды расходятся к полюсам.
- Телофаза II — хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.
- В результате из одной диплоидной клетки образуется четыре гаплоидных клетки. В тех случаях, когда мейоз сопряжён с гаметогенезом (например, у многоклеточных животных), при развитии яйцеклеток первое и второе деления мейоза резко неравномерны. В результате формируется одна гаплоидная яйцеклетка и три так называемых редукционных тельца (абортивные дериваты первого и второго делений).
№84 Деление клеток – митоз
Если бы вы наблюдали под микроскопом за делением клеток, то увидели бы следующее. Во-первых, материал внутри ядра становится очень плотным. Можно даже различить дискретные структуры — хромосомы. Вы знаете, что в соматических (неполовых) клетках человека имеется 23 пары хромосом — по одной хромосоме из каждой пары от каждого родителя. Итого в соматических клетках человека 46 хромосом. Все 46 выстраиваются в экваториальной плоскости клетки. На этой стадии хорошо заметно, что каждая из 46 хромосом на самом деле состоит из двух хроматид, соединенных между собой в области, похожей на кнопку. Эта область была названа центромерой. С противоположных концов клетки расположено два плотных пятна (центриоли), каждое из которых образует нити веретена деления. Каждая нить присоединяется к хромосоме в области центромеры. К каждой паре хромосом присоединяются две нити — по одной от каждой центриоли. Затем мы бы увидели, что центриоли, подобно катушкам, наматывают нити веретена деления, в результате чего хромосомы расходятся к полюсам клетки. Затем делится содержимое клетки. Это удивительное зрелище.
События развиваются по следующему сценарию. Необходимо понимать, что для деления клетки должна быть решена очень важная задача — должно произойти удвоение (репликация) ДНК, ведь именно в ДНК закодирована вся информация о том, что и как должно происходить в клетке. Вспомните, что ДНК представляет собой двойную спираль. Снаружи спирали располагается сахарофосфатный остов, в котором сахара связаны друг с другом ковалентными связями через остаток фосфорной кислоты. Внутри спирали находятся органические азотистые основания, соединенные попарно водородными связями. Смысл копирования информации, хранящейся в одной хромосоме, и передачи этой информации новой клетке без изменений очень прост: необходимо раскрутить двойную спираль ДНК и разорвать водородные связи, удерживающие вместе пары азотистых оснований. С этого момента появляются две одинарные цепи с азотистыми основаниями, выступающими из сахарофосфатного остова. Вспомните, что каждое азотистое основание одной из цепей ДНК всегда образует связи со вполне определенным основанием другой цепи ДНК. Так, аденин связывается только с тимином, а гуанин — только с цитозином. В этом заключается принцип комплементарности азотистых оснований. Вспомните также, что нуклеотиды представляют собой молекулы, состоящие из органического основания и фосфорилированного сахара. Теоретически, если необходимые нуклеотиды присутствуют в нуклеоплазме, каждое азотистое основание каждой цепи ДНК подберет себе подходящую пару. Существует специфический и очень важный фермент, ДНК-полимераза, который делает эту реакцию возможной. Сахара вновь образуемой дочерней цепи ДНК соединяются друг с другом посредством фосфодиэфирных связей, в результате чего образуется сахарофосфатный остов — и вот оно свершилось! У вас есть две идентичные хромосомы там, где только что была одна (рис. 2.7). Конечно, на самом деле процесс репликации молекулы ДНК в клетке происходит намного сложнее и зависит от функционирования целого ряда ферментов, но об этом мы еще скажем ниже.
Рис. 2.7. Процесс удвоения ДНК
А сейчас давайте более пристально рассмотрим процесс деления клетки. Вначале пары хромосом находятся в ядре в деспирализованном состоянии и неразличимы под микроскопом. О таких клетках говорят, что они находятся в интерфазе. В них генетический материал, известный как хроматин, представляет собой спутанную массу и не настолько компактен, насколько в то время, когда хромосомы различимы под микроскопом. Хроматин получил свое название из-за того, что он окрашивался в темный цвет специальными цветными красителями. Это произошло еще задолго до того, как люди узнали о его истинной функции. Как уже упоминалось, соматические клетки человека имеют 23 пары хромосом. Двадцать две пары представляют собой так называемые аутосомные хромосомы, одинаковые у мужчин и женщин. Двадцать третья пара представлена половыми хромосомами, которые различны у мужчин и женщин. Женщины имеют две большие хромосомы, названные X-хромосомами, а мужчины — одну большую Х-хромосому и одну маленькую Y-хромосому. У хромосом одной пары однотипное строение. Однако хромосомы, полученные от разных родителей, несут разную информацию, и в этом смысле хромосомные пары не идентичны.
Митоз, показанный на рис. 2.8, — универсальный способ деления любых эукариотических клеток. Митоз состоит из четырех основных четко различимых фаз: профазы, метафазы, анафазы, телофазы. Когда клетка приступает к делению, генетический материал каждой хромосомы уже удвоился. В профазе число хромосом соответствует 46, но каждая хромосома двойная, то есть состоит из двух сестринских хроматид.
Рис. 2.8. Митоз
Чтобы приступить к удвоению генетического материала, клетке предстоит решить трудную задачу — раскрутить спираль ДНК. Большинство из нас думают, что хромосома не так уж и длинна, потому что именно такими мы привыкли видеть их на всех рисунках. В действительности же в интерфазной клетке молекула ДНК находится в суперспирализованном состоянии, то есть скручена очень плотно и в определенном порядке. Показателен тот факт, что если бы молекула ДНК находилась внутри клетки в раскрученном состоянии, то ее длина составляла бы около 1 м! Только представьте себе, насколько сложной и упорядоченной должна быть упаковка такого большого количества генетического материала внутри микроскопической клетки. Отсюда становится понятным, почему в эукариотических клетках двойная спираль молекулы ДНК упакована в компактную структуру, образованную за счет взаимодействия с целым рядом белков, называемых гистонами. Таким образом, хромосомные белки упаковывают гигантскую молекулу в ядро объемом всего в несколько кубических микрон (рис. 2.9).Непосредственно перед началом процесса репликации молекула ДНК раскручивается ферментом хеликазой. Затем водородные связи разрываются, цепи расходятся, и на их матрице по принципу комплементарности образуются дочерние цепи.Деление клеток строго контролируется. Существуют клетки, которые делятся достаточно часто. К ним относятся клетки костного мозга. Другие клетки, например клетки кости, делятся главным образом во время активного роста органа или его повреждения. Наконец, существуют клетки, которые делятся очень редко или не делятся вообще. К такому типу относятся зрелые нервные клетки. Неконтролируемое деление и рост клеток является признаком их ракового перерождения. Процесс деления клеток требует регуляторов, которые называются факторами активации. Примерами таких фактории являются факторы роста. Изучение факторов роста одно из наиболее быстро развивающихся направлений на стыке современной биологии и медицины. Многие факторы в настоящее время выделены и частично охарактеризованы.
Факторы активации обычно работают, изменяя форму ДНК и позволяя ДНК-полимеразе, ответственной за репликацию ДНК, связаться с нею. ДНК-полимераза вначале находит специфический участок в молекуле ДНК. Этот участок, имеющий вид петли, необходим для связывания ДНК-полимеразы с ДНК. В свою очередь, он образуется при связывании фактора активации с ДНК. Участок молекулы ДНК, где происходит присоединение ДНК-полимеразы и начинается процесс репликации, называется точкой начала репликации. Следует также знать, что для инициации синтеза ДНК требуются короткие последовательности РНК, выполняющие функции «затравок» (праймеров). Связавшись с молекулой ДНК, ДНК-полимераза продвигается вдоль материнской цепи, достраивая дочернюю цепь по принципу комплементарности.
Одна из важнейших функций ДНК-полимеразы заключается в исправлении ошибок во вновь синтезированной цепи ДНК. Узнавая неправильные пары оснований, ДНК-полимераза возвращается на один шаг назад, неправильное основание удаляется из дочерней цепи, а правильное вставляется. В результате число ошибок при репликации ДНК составляет примерно одна ошибка на 10—100 млрд пар оснований. Однако, так как клетки делятся достаточно часто, ошибки неизбежно накапливаются. Многие из этих ошибок сказываются на жизнеспособности клеток. Если клетки, в которых произошла мутация, все же выживают, иммунная система разрушает их с помощью специальных, приспособленных для этих целей клеток.
Позвольте теперь вернуться к процессу деления клетки. В профазе митоза хромосомы состоят из двух хроматид, что является результатом репликации ДНК в интерфазе. Однако под микроскопом их регистрировать не удается, так как в профазе сестринские хроматиды тесно соприкасаются друг с другом, взаимно спирализуясь одна относительно другой. В прометафазе ядерная мембрана разрушается, и хромосомы начинают двигаться по направлению к экваториальной плоскости клетки. Этот процесс обеспечивает нормальное расхождение хромосом к полюсам клетки во время клеточного деления, в результате чего в каждую из вновь образующихся клеток попадает полный набор хромосом. Сестринские хроматиды одной хромосомы связаны друг с другом в точке, названной центромерой. В области центромеры расположен кинетохор — сложная белковая структура, связанная с ДНК центромерного участка. К этой зоне во время митоза прикрепляются нити веретена деления. Как вы уже наблюдали, на полюсах клетки расположены центриоли, число которых перед делением клетки также возрастает вдвое. Центриоли участвуют в формировании нитей веретена деления. Каждая нить веретена прикрепляется к одной хромосоме в области кинетохора. Во второй фазе митоза, метафазе, хромосомы, состоящие из двух хроматид, выстраиваются в экваториальной плоскости клетки.
Нити веретена деления растаскивают хромосомы, называемые с этого момента дочерними хромосомами, к противоположным концам клетки. Фаза, в течение которой хромосомы перемещаются в разные стороны, называется анафазой. Если все проходит по плану, центриоль делится, и сестринские хроматиды расходятся к полюсам клетки. Если хромосомы не выстраиваются в экваториальной плоскости клетки в должном порядке, процесс деления клетки может нарушиться.
После того как хромосомы разошлись к противоположным концам родительской клетки, клетка делится надвое в результате цитокинеза. Четвертая и заключительная стадия митоза называется телофазой. Клетки, размножающиеся путем митоза, как уже упоминалось, называются соматическими. К ним относятся все клетки нашего организма, за исключением клеток, которые впоследствии станут сперматозоидами или яйцеклетками. Клетки, которые вносят вклад в образование нового организма, называются половыми клетками. Половые клетки образуются в результате мейоза, который мы и рассмотрим в следующем разделе.
Митоз обычно проходит без какой-либо задержки. Однако в любой момент в организме человека происходят миллионы клеточных делений. Время от времени в клетках оказывается слишком много генетического материала, в то время как в других его может оказаться меньше нормы. Обычно такие клетки не выживают или удаляются иммунной системой.
№85 Наследственные болезни. Классификация наследственных болезней.Насле́дственные заболева́ния — заболевания, возникновение и развитие которых связано с дефектами в программном аппарате клеток, передаваемыми по наследству через гаметы. Термин употребляется в отношенииполиэтиологических заболеваний, в отличие от более узкой группы — генные болезни.
В зависимости от вида первично поражённых клеток вьщелены следующие группы заболеваний:
• болезни вследствие мутаций в половых клетках — «гаметические», т.е. собственно наследственные болезни (например, фенилкетонурия, гемофилии); эти болезни передаются по наследству;
• болезни вследствие мутаций в соматических клетках — «соматические» (например, опухоли, некоторые болезни иммунной аутоагрессии). Эти заболевания не передаются по наследству;
• болезни вследствие комбинации мутаций в половых и соматических клетках (например, семейная ретинобластома).
Отдельно рассматривают летальные, сублетальные и гипогенитальные заболевания:
• летальные болезни приводят к гибели во время внутриутробного развития (например, моносомии по аутосомам, гаплоидии, большинство полиплоидии);
• сублетальные заболевания приводят к гибели индивида до периода полового созревания (например, наследственные иммунодефициты типа агам-маглобулинемии швейцарского типа, синдром Луи-Бар, некоторые гемофилии);
• гипогенитальные заболевания сочетаются с бесплодием (например, синдромы Шерешевского—Тернера, Кляйнфелтера).
В зависимости от роли наследственности и среды выделяют четыре группы заболеваний:
• собственно наследственные болезни (развиваются вследствие мутаций);
• экогенетические заболевания (развиваются при наличии мутации под влиянием специфического фактора среды);
• болезни генетической предрасположенности (вклад генетических факторов очевиден);
• болезни, вызываемые факторами внешней среды (строго говоря, эта группа болезней не относится к наследственным болезням, так как вклад генетических факторов в их возникновение, развитие и исход может быть крайне малым, сомнительным или неизвестным).